摘要

微觀尺度系統(tǒng)描繪了與宏觀尺度系統(tǒng)不同的流動(dòng)行為，這是由于更重要的表面力，如表面張力、電荷、磁場(chǎng)等，這些力顯著影響微觀尺度的流動(dòng)。此外，除其他外，電動(dòng)現(xiàn)象在微觀尺度上對(duì)控制實(shí)際微流體應(yīng)用起著重要作用。因此，了解微米級(jí)通道中的流體動(dòng)力學(xué)對(duì)于開(kāi)發(fā)高效可靠的微流控器件至關(guān)重要。

方法

已經(jīng)對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)液體流過(guò)不對(duì)稱(chēng)帶電收縮-膨脹 (4:1:4) 狹縫微流體裝置時(shí)的電粘性效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究。使用有限元方法求解數(shù)學(xué)模型（即泊松方程、納維-斯托克斯方程和能斯特-普朗克方程），以獲得以下方程的電勢(shì)、速度、壓力、離子濃度場(chǎng)、過(guò)剩電荷、感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)范圍：雷諾數(shù)（右e=0.01), 施密特?cái)?shù) (鈧=1000), 逆德拜長(zhǎng)度 (2≤k≤20），頂壁表面電荷密度（4≤st≤16)、表面電荷密度比(0≤sr≤2）和收縮率（dc=0.25）。

重要發(fā)現(xiàn)

結(jié)果表明電荷不對(duì)稱(chēng)性（Sr）在微流體裝置的不同壁上對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)的發(fā)展和微流體流體動(dòng)力學(xué)起著重要作用?？倽摿Γ▅ΔU|）和壓降（|Δ磷|）隨著電荷的不對(duì)稱(chēng)性，最大分別增加了 197.45% 和 25.46%。電粘性修正系數(shù)（表觀粘度與物理粘度之比）最大變化 20.85%（在K=2,St=16為了0≤Sr≤2），34.16%（在St=16,Sr=2為了2≤K≤20）和 39.13%（在K=2,Sr=2為了0≤St≤16）。因此，電荷不對(duì)稱(chēng)性（0≤Sr≤2）顯著影響微流體裝置中的流體流動(dòng)，微流體裝置用于控制微流體過(guò)程，例如混合效率、熱量和質(zhì)量傳遞速率。此外，開(kāi)發(fā)了一個(gè)更簡(jiǎn)單的分析模型來(lái)預(yù)測(cè)電粘流中的壓降，考慮到不對(duì)稱(chēng)帶電表面，基于各個(gè)均勻部分中的泊肅葉流和孔口造成的壓力損失，估計(jì)數(shù)值結(jié)果內(nèi)的壓降 1-2% 。該模型的穩(wěn)健性使得能夠?qū)?dāng)前的數(shù)值結(jié)果用于微流體應(yīng)用的設(shè)計(jì)方面。

微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)的快速發(fā)展增強(qiáng)了微流控器件在各種生物醫(yī)學(xué)和工程應(yīng)用中的使用和普及，例如微熱泵、微散熱器、DNA 分析、藥物篩選、藥物輸送系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室、生物分析、細(xì)胞培養(yǎng)和液滴生成、微觀尺度系統(tǒng)描繪了與宏觀尺度系統(tǒng)不同的流動(dòng)行為，這是由于更重要的表面力，如表面張力、電荷、磁場(chǎng)等，這些力顯著影響微觀尺度的流動(dòng)。因此，了解微米級(jí)通道中的流體動(dòng)力學(xué)對(duì)于開(kāi)發(fā)高效可靠的微流控器件至關(guān)重要。

大多數(shù)固體表面（PDMS、玻璃、其他材料）都含有靜電荷，即表面電勢(shì).當(dāng)這些帶電表面與液體電解質(zhì)溶液相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)現(xiàn)象。帶電的固體表面吸引反離子并消除輔離子;因此，離子在表面附近的重排形成“雙電層”（EDL）。它由致密層（或斯特恩層）和漫反射層組成;位于 EDL 這些層之間的界面被定義為“剪切平面”。Zeta電位（ζ）是剪切（或滑移）平面上的電位），它在從剪切面到本體液體的擴(kuò)散層中不斷衰減。由于施加的壓力驅(qū)動(dòng)流 （PDF），EDL 擴(kuò)散層中移動(dòng)離子的對(duì)流導(dǎo)致“流電流”。這種流動(dòng)會(huì)誘導(dǎo)出一種“流動(dòng)電位”，該電位在EDL中施加了與PDF相反的反離子回流，并產(chǎn)生了“傳導(dǎo)電流”。這些離子還用它們驅(qū)動(dòng)液體，并延緩微流體裝置中的初級(jí)PDF。因此，在固定的體積流量下，液體流動(dòng)顯示出比傳統(tǒng)PDF更高的粘度;這種效應(yīng)被稱(chēng)為“電粘性效應(yīng)”（EVE）。

早期的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究已經(jīng)探索了平行板、矩形、圓柱形和橢圓形等對(duì)稱(chēng)/均勻電荷均勻微流控器件中的電粘性效應(yīng)。研究人員還探索了離子/電解質(zhì)液體在壓力驅(qū)動(dòng)的無(wú)滑移流中通過(guò)對(duì)稱(chēng)電荷的不均勻（即收縮-膨脹）微流體裝置（如平行板/狹縫、矩形和圓柱形）的電粘性效應(yīng)。Berry 等人。 分析了在其他相同條件下，具有均勻電荷密度的壁介電常數(shù)對(duì)電粘性流動(dòng)中液固界面的影響。此外，Dhakar 和 Bharti 還研究了電解質(zhì)溶液通過(guò)對(duì)稱(chēng)電荷不均勻（即收縮-膨脹）狹縫微通道裝置的電荷依賴(lài)性滑移流中的電粘性效應(yīng)?？偠灾@些研究表明，逆德拜長(zhǎng)度（2≤K≤20）、表面電荷密度（4≤S≤16） 和滑移長(zhǎng)度 （0≤B0≤0.20） 表示控制場(chǎng)上的固定體積流量 （Q），即總電勢(shì) （U）、速度 （V）、離子濃度 （n±）、壓力 （P）、過(guò)量電荷 （n?）和感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度（Ex） 在對(duì)稱(chēng)電荷 （Sr=1）微流控裝置。這些研究觀察到，在其他條件范圍相同的情況下，與均勻幾何形狀相比，非均勻幾何形狀具有顯著的電粘性效應(yīng)。此外，與無(wú)滑移情況相比，滑移增強(qiáng)了電粘性效應(yīng)，而與微流體幾何形狀無(wú)關(guān)。通過(guò)考慮通過(guò)均勻通道的泊塞耶流和通過(guò)薄孔口的蠕動(dòng)流的壓降，提出了計(jì)算通過(guò)對(duì)稱(chēng)電荷非均勻微流控裝置的無(wú)滑移和電荷依賴(lài)滑移流壓降的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型。該模型預(yù)測(cè)的壓降（和電粘性校正因子）在± 5% 以?xún)?nèi)，±其數(shù)值結(jié)果的±2 – 4% 的無(wú)滑移和電荷依賴(lài)性滑移流。

此外，很少有研究探討不對(duì)稱(chēng)或異質(zhì)電荷均勻微流控器件中的電粘性效應(yīng)（EVEs）。例如，Xuan 從理論上研究了具有兩種表面模式（||即ΔP和q±ΔP；;?P為壓力梯度）。Sailaja 等人。 已顯示出不對(duì)稱(chēng)壁 zeta 電位（即由不同材料制成的通道壁）對(duì)通過(guò)均勻狹縫微通道的冪律流體流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)的顯著影響。他們得出的結(jié)論是，zeta電位的不對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)烈影響了微流體器件中的流動(dòng)電位。

據(jù)我們所知，上壁和下壁之間的電荷不對(duì)稱(chēng)性對(duì)通過(guò)非均勻微流體幾何的電粘性流動(dòng)的影響在文獻(xiàn)中尚未探索。因此，本研究研究了電解質(zhì)液體通過(guò)不對(duì)稱(chēng)電荷不均勻（即收縮-膨脹）狹縫微流控裝置的流動(dòng)。采用有限元法（FEM）對(duì)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到流動(dòng)場(chǎng)、電勢(shì)場(chǎng)和離子集中場(chǎng)。詳細(xì)結(jié)果從總電勢(shì)（U）、過(guò)量電荷（n?）、感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度（Ex）和微流體裝置中的壓力（P）分布，適用于更寬范圍的流動(dòng)控制參數(shù).提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的偽分析模型來(lái)預(yù)測(cè)壓降（和電粘性校正因子）。該模型可用于為各種工程和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)高效可靠的微流控設(shè)備/芯片。

免責(zé)聲明：文章來(lái)源網(wǎng)絡(luò)  以傳播知識(shí)、有益學(xué)習(xí)和研究為宗旨。 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除。